Schon wenig Druck kann im Holzschwamm eine elektrische Spannung erzeugen.
Bild: ACS Nano/Empa

Dass Holz nicht nur als Baumaterial genutzt werden kann, hat das Team um Ingo Burgert an der Empa und der ETH Zürich schon öfter bewiesen. In seinen Forschungsarbeiten geht es häufig darum, die vorhandenen Eigenschaften von Holz so zu erweitern, dass es sich für völlig neue Anwendungsbereiche eignet. Nun hat das Team gemeinsam mit der Empa-Forschungsgruppe um Francis Schwarze und Javier Ribera ein einfaches, umweltfreundliches Verfahren entwickelt, um elektrische Spannung mit einer Art Holzschwamm zu erzeugen.

Spannung durch Verformung

Will man mit Holz eine elektrische Spannung erzeugen, kommt der sogenannte piezoelektrische Effekt ins Spiel. Piezoelektrizität bedeutet, dass durch die elastische Verformung von Festkörpern eine elektrische Spannung entsteht. Das bekannteste Material mit Piezoeigenschaften ist Quarz. Dieses Phänomen macht sich vor allem die Messtechnik zunutze, indem sie Sensoren verwendet, die beispielsweise bei mechanischer Belastung ein Ladungssignal erzeugen.

Ohne spezielle Behandlung des Holzes entsteht bei einer mechanischen Beanspruchung nur eine sehr geringe elektrische Spannung im Verformungsprozess. Deshalb bereiteten es die Forscher mit einem Verfahren vor, das die Grundlage für diverse Weiterentwicklungen von Holz bildet: der Delignifizierung. In einem Säurebad wird das Lignin herausgelöst, übrig bleibt ein Gerüst aus Zelluloseschichten. Der entstehende weisse Holzschwamm besteht aus übereinanderliegenden, dünnen Zelluloseschichten, die sich zusammenpressen lassen und sich dann wieder in ihre ursprüngliche Form ausdehnen.

Pilze statt Chemikalien

Die Forschungsgruppe unterzog den Testwürfel mit einer Seitenlänge von etwa 1,5 cm rund 600 Belastungszyklen. Das Material zeigte dabei eine erstaunliche Stabilität. Bei jeder Belastung massen die Forscher eine Spannung von rund 0,63 V – das würde für eine Anwendung als Sensor reichen. In weiteren Experimenten versuchte das Team, die mögliche Skalierbarkeit dieses Nanogenerators auszuloten. So konnten sie etwa zeigen, dass 30 solcher Holzklötze, wenn diese parallel mit dem Körpergewicht eines Erwachsenen belastet werden, bereits ein einfaches LCD-Display zum Leuchten bringen.

Die Arbeiten zur jüngsten Publikation des Empa-ETH Zürich-Teams gehen noch einen Schritt weiter: Ziel war es, das Verfahren so abzuwandeln, dass es ohne aggressive Chemikalien auskommt. Einen geeigneten Kandidaten, der die Delignifizierung in Form eines biologischen Prozesses vornehmen kann, fanden die Forschenden in der Natur: Der Pilz Ganoderma applanatum verursacht Weissfäule im Holz. Der Pilz baut das Lignin und die Hemizellulose im Holz besonders schonend ab. Zudem lässt sich der Prozess im Labor gut steuern.

Links www.empa.ch | https://ifb.ethz.ch/woodmaterialsscience